CN207380232U - 激光雷达系统及其照明装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光雷达系统及其照明装置。其中，一种激光雷达照明装置，包括近场照明机构、远场照明机构，以及用于产生近场控制脉冲和远场控制脉冲的控制器；近场照明机构根据近场控制脉冲输出近场照明光，激光雷达接收到的任一反射光均是距离该反射光接收时刻最近的一帧照明光，根据该照明光的输出时刻，可以确定该反射光所属的照明光的飞行时间；远场照明机构的输出端与近场照明机构的输出端并排设置。实现了在获取远场范围内待测目标物的距离信息的前提下，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物的距离信息的技术效果。

Description

激光雷达系统及其照明装置

技术领域

本实用新型实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种激光雷达系统及其照明装置。

背景技术

现有技术的激光雷达系统通常根据待测目标物体与激光雷达之间的距离，选择近场激光雷达照明装置辅助获取近场范围内的待测目标物的位置，或者选择远场激光雷达照明装置辅助获取近场范围内的待测目标物或远场范围内的待测目标物的位置，但是远场激光雷达的扫描频率通常较低，无法满足在获取远场范围内待测目标物位置前提下，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物位置的需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光雷达系统及其照明装置，以实现现有技术的激光雷达系统无法满足在获取远场范围内待测目标物的距离信息的前提下，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物的距离信息的需求。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种激光雷达照明装置，包括近场照明机构、远场照明机构，以及用于产生近场控制脉冲和远场控制脉冲的控制器；

所述近场照明机构根据所述近场控制脉冲输出近场照明光，所述远场照明机构根据所述远场控制脉冲输出远场照明光，且所述近场照明光和所述远场照明光符合预设照明光组合，使控制器根据激光雷达的接收装置获取的，所述近场照明光或所述远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息；

所述远场照明机构的输出端与所述近场照明机构的输出端并排设置，且所述近场照明光与所述远场照明光的视角的中心轴之间的距离在预设距离范围内。

进一步，所述预设照明光组合包括：

所述控制器还产生扫描脉冲，并根据所述扫描脉冲，控制所述远场照明光以所述扫描脉冲的频率在设定空域上扫描，使设定空域上的，所述近场照明光的输出时刻与前一帧所述远场照明光的输出时刻之差，大于所述远场照明光的最大飞行时间，所述远场照明光的输出时刻与前一帧所述近场照明光的输出时刻之差，大于所述近场照明光的最大飞行时间。

进一步，所述预设照明光组合包括：

所述控制器控制所述近场控制脉冲和所述远场控制脉冲，使所述近场光照明机构和所述远场照明机构同时分别输出所述近场照明光和所述远场照明光。

进一步，所述预设照明光组合包括：

所述近场照明光和所述远场照明光的波段不同。

进一步，所述近场照明机构包括近场光源和扩束镜；

所述控制器通过近场控制脉冲控制所述近场光源输出近场出射光，所述近场出射光经所述扩束镜形成近场照明光。

进一步，所述近场光源为LED点阵或激光管。

进一步，所述远场照明机构包括远场光源、扫描镜和结构光棱镜模组；

所述控制器通过扫描脉冲控制所述扫描镜在预设角度范围内旋转；

所述扫描镜在旋转过程中将所述远场光源输出的远场出射光反射到所述结构光棱镜模组的不同位置，所述位置轨迹位于同一直线上；

所述结构光棱镜模组将接收的所述远场出射光转换成远场照明光输出。

进一步，所述远场照明机构还包括准直镜；

所述准直镜设于所述远场光源与所述扫描镜之间，用于准直所述远场光源输出的远场出射光。

进一步，所述扫描镜为MEMS镜、扫描振镜或反射镜组件中的一种；

其中，反射镜组件包括反射镜和扫描机构，所述扫描机构用于控制所述反射镜在预设角度范围内旋转。

进一步，所述扫描脉冲的频率小于所述近场控制脉冲的频率，所述扫描脉冲的频率大于30帧每秒；

所述近场照明光与所述远场照明光的水平视角范围大于或等于45度，垂直视角范围大于或等于20度。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达系统，包括接收装置以及如第一方面所述的激光雷达照明装置；

所述激光雷达照明装置用于输出符合预设照明光组合的近场照明光和远场照明光；

所述接收装置用于接收所述近场照明光的反射光或所述远场照明光的反射光；

所述控制器根据所述预设光规则和所述反射光的接收时刻确定待测目标物的距离信息。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达测距方法，包括：

通过近场控制脉冲控制激光雷达照明装置输出近场照明光，通过远场控制脉冲控制所述激光雷达照明装置输出远场照明光，且所述近场照明光和所述远场照明光符合预设照明光组合；

根据所述预设照明光组合和激光雷达接收装置获取的，所述近场照明光或所述远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息。

本实用新型提供的激光雷达照明装置的技术方案，通过近场照明机构根据近场控制脉冲输出近场照明光，远场照明机构根据远场控制脉冲输出远场照明光，且近场照明光和远场照明光符合预设照明光组合，使控制器根据预设照明光组合和激光雷达接收装置获取的，近场照明光或远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息，实现了近场照明机构与远场照明机构的结合，以及在获取远场范围内待测目标物的距离信息的前提下，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物的距离信息的技术效果，克服了现有技术的激光雷达照明装置，必须通过几百瓦甚至上千瓦的大功率激光器才能实现所需范围内的照明，降低了激光器的成本、体积和功耗，可以满足消费级产品的需求。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的激光雷达照明装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的近场光源的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的近场照明机构的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一提供的远场照明机构的结构示意图；

图5是本实用新型实施例一提供的包括准直镜的远场照明机构的结构示意图；

图6是本实用新型实施例二提供的激光雷达系统的结构示意图；

图7是本实用新型实施例三提供的激光雷达测距方法的流程图。

图标：

1-激光雷达照明装置；11-近场照明机构；110-近场照明光；1101-近场出射光；111-近场光源；1111-LED点阵；112-扩束镜；12-远场照明机构；120-远场照明光；1201-远场出射光；12011-准直后的远场出射光；1202-远场出射光的反射光；121-远场光源；122-扫描镜；123-结构光棱镜模组；124-准直镜；13-控制器；2-接收装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的激光雷达照明装置的结构示意图，本实施例适用于需要获取远场范围内待测目标物的距离信息的同时，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物的距离信息。如图1所示，激光雷达照明装置包括近场照明机构11、远场照明机构12，以及用于产生近场控制脉冲和远场控制脉冲的控制器13；近场照明机构11根据近场控制脉冲输出近场照明光110，远场照明机构12根据远场控制脉冲输出远场照明光120；且近场照明光110和远场照明光120符合预设照明光组合，使控制器13根据预设照明光组合和激光雷达接收装置获取的，近场照明光110或远场照明光120遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息；远场照明机构12的输出端与近场照明机构11的输出端并排设置，且近场照明光110与远场照明光120的视角的中心轴之间的距离在预设距离范围内。

近场照明机构11和远场照明机构12的输出端并排设置，使近场照明光110与远场照明光120的视角的中心轴平行，且二者之间的距离在预设距离范围内，从而使近场照明光110与远场照明光120在整个照明光的视角范围内呈现共轴。

如图2所示，近场光源111为LED点阵1111或激光管等可以实现高频面照明的光源，从而满足侦测近距离快速移动的待测目标物的需求。

如图3所示，近场照明机构包括近场光源111和扩束镜112，近场光源111为脉冲光源，控制器产生近场控制脉冲，并通过近场控制脉冲控制近场光源111输出近场出射光1101，近场出射光1101经扩束镜112形成近场照明光110，扩束镜112用于对近场出射光1101进行扩束，增大近场照明光110的视角范围，使近场照明光110符合预设的视角范围。

近场控制脉冲用于控制近场光源产生脉冲光，本实施例中的近场控制脉冲可选方波脉冲、正弦波或三角波，当然其它能够驱动近场光源产生脉冲光的脉冲形式也可以。

如图4所示，远场照明机构包括远场光源121、扫描镜122和结构光棱镜模组123；控制器产生扫描脉冲，并通过扫描脉冲控制扫描镜122在预设角度范围内旋转；扫描镜122在旋转过程中将远场光源121输出的远场出射光1201反射到结构光棱镜模组123的不同位置，位置轨迹位于同一直线上；结构光棱镜模组123将接收的扫描镜122反射的远场出射光，即远场出射光的反射光1202转换成远场照明光120输出。

可选地，随着扫描镜122的旋转，扫描镜122反射的远场出射光1201沿结构光棱镜模组123的竖直方向移动，且扫描镜122反射的远场出射光经结构光棱镜模组123形成窄条形光束或线性光束，窄条形光束或线性光束的长度方向构成了附图4中远场照明光120的垂直视角范围，而扫描镜122反射的远场出射光1201在结构光模组123的竖直方向的运动范围确定了窄条形光束或线性光束在远场空间中的水平方向的运动范围，即远场照明机构输出的远场照明光120为水平扫描光，进而确定了远场照明光120在水平方向的视角范围。

可选地，如图5所示，远场照明机构还包括设于远场光源121与扫描镜122之间的准直镜124，本实施例中的远场光源121可以是激光二极管等大功率光源，因此远场光源121输出的远场出射光1201通常具有一定的发散角，通过准直镜124对远场光源121射向扫描镜122的远场出射光1201进行准直，使落到扫描镜122的准直后的远场出射光12011呈点光源，提高了射向结构光棱镜模组123的远场出射光1201的质量，进而提高了结构光棱镜模组123输出的远场照明光120的质量。

可选地，本实施例中的扫描镜可以是MEMS镜、扫描振镜或反射镜组中的一种，其中，反射镜组件包括反射镜和扫描机构，扫描机构用于控制反射镜在预设角度范围内旋转，具体使用时，可以根据激光雷达的使用场景，精度要求以及设备成本等方面选择扫描镜的类型。

可选地，远场控制脉冲用于控制远场光源产生脉冲光，本实施例中的远场控制脉冲可选方波脉冲、正弦波或三角波，当然其它能够驱动远场光源产生脉冲光的脉冲形式也可以。

可选地，本实施例中的扫描脉冲的频率大于30帧每秒，扫描脉冲的频率小于近场控制脉冲的频率，即远场照明光的扫描频率小于近场照明光的频率，可以集中光强照明某一区域，通过扫描可以达到较远的距离的照明，满足远距离侦测的需求。对近场范围内的待测目标物的扫描频率为近场照明光与远场照明光的频率之和，因此可以实现对近场范围内的待测目标物的实时扫描，同时可以通过远场扫描获取远场的待测目标物的距离信息，满足远场测距的需求，符合通常情况下的用户对近场待测目标物的测量精度要求高于远场待测目标物的要求。当然，若用户对远场待测目标物的测量具有较高的实时性要求，也可以根据需要增加远场照明光的扫描频率。

可选地，本实施例中的近场照明光与远场照明光的水平视角范围大于或等于45度，垂直视角范围大于或等于20度。需要说明的是，近场照明光与远场照明光的视角范围可以相同也可以不同，具体使用时，可以根据实际检测的待测目标物的出现范围来确定近场照明光与远场照明光的视角范围，当然，也可以选取近场照明光和远场照明光中的最大视角范围作为二者的视角范围，将二者设置成相同的视角范围。

可选地，本实施例中的远场照明机构输出的远场照明光的辐照距离大于100m。

为了能够准确地确定待测目标物的距离信息，需要准确获取近场照明光或远场照明光的飞行时间，即对于激光雷达接收到的任一反射光，需要准确地确定该反射光所属的照明光的输出时刻，不能使激光雷达接收到的反射光存在两种可能的输出时刻，即不能出现无法确定该反射光是上一帧的远场照明光的反射光，还是上一帧的近场照明光的反射光的情况。

因此，本实施例在设定空域上的，近场照明光的输出时刻与前一帧远场照明光的输出时刻之差，大于远场照明光的最大飞行时间，远场照明光的输出时刻与前一帧近场照明光的输出时刻之差，大于近场照明光的最大飞行时间，因此，激光雷达接收到的任一反射光均是距离该反射光接收时刻最近的一帧照明光，即可以通过该最近的一帧照明光的输出时刻确定该反射光所属的照明光的飞行时间。

当然，本实施例还可以通过其它方法确定照明光的飞行时间，比如，控制器每输出一帧照明光，无论是近场照明光还是远场照明光，均将其输出时刻作为当前输出时刻，当激光雷达监测到反射光时，只要将发射光的接收时刻与该当前输出时刻相减即可得到该反射光所属的照明光的飞行时间。可以理解的是，上述确定照明光飞行时间的方法仅是示例性说明，其他能够确定照明光的飞行时间的方法亦可以。

需要说明的是，设定空域可以是相对于整体视角范围内的某一部分空域，比如，根据远场照明光的扫描顺序确定空域，可行的设置方式为：不在远场照明光的当前扫描区域及其邻域输出近场照明光；或者设定空域为整个空域，仅通过时域的近场控制脉冲、远场控制脉冲、扫描脉冲、近场照明光的最大飞行时间以及远场照明光的最大飞行时间，来确保激光雷达检测到的反射光能够确定唯一的照明光。

本实施例可以根据近场照明光的辐照距离和反射光的有效强度确定近场照明光的最大飞行时间，根据远场照明光的辐照距离和反射光的有效强度确定远场照明光的最大飞行时间，当然，也可以根据经验值或是其他方法获取近场照明光和远场照明光的最大飞行时间。

进一步，为了提高确定接收装置接收的反射光的输出时刻，本实施例通过控制器控制近场控制脉冲和远场控制脉冲，使近场光照明机构和远场照明机构同时分别输出近场照明光和远场照明光。由于近场照明光和远场照明光具有相同的输出时刻，因此，反射光的输出时刻为距离该反射光接收时刻最近的，近场照明光或远场照明光的输出时刻，通过该反射光的接收时刻和输出时刻可以得出该反射光所对应的照明光的飞行时间，进而根据飞行时间求取待测目标物的距离信息。

进一步，为了提高确定接收装置接收的反射光的输出时刻，本实施例中的近场照明光和远场照明光属于不同的波段。此时，接收装置可以通过反射光的波段区分接收的反射光是近场照明光的反射光，还是远场照明光的反射光，待确定后，控制器根据确定后的照明光的输出时刻求取该照明光的飞行时间，进而根据飞行时间求取待测目标物的距离信息。

本实用新型提供的激光雷达照明装置的技术方案，通过近场照明机构根据近场控制脉冲输出近场照明光，远场照明机构根据远场控制脉冲输出远场照明光，且近场照明光和远场照明光符合预设照明光组合，使控制器根据预设照明光组合和激光雷达接收装置获取的，近场照明光或远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息，实现了在获取远场范围内待测目标物位置的前提下，实时获取近场范围内快速移动的待测目标物位置的技术效果，克服了现有技术的激光雷达照明装置，必须通过几百瓦甚至上千瓦的大功率激光器才能实现所需范围内的照明，降低了激光器的成本、体积和功耗，可以满足消费级产品的需求。

实施例二

如图6所示，本实施例提供了一种激光雷达系统，包括接收装置2以及如上述实施例所述的激光雷达照明装置1；激光雷达照明装置1用于通过近场照明机构11输出近场照明光以及通过远场照明机构12输出远场照明光，近场照明光和远场照明光符合预设照明光组合；接收装置2用于接收近场照明光的反射光或远场照明光的反射光，控制器13根据预设照明光组合和反射光的接收时刻确定该反射光所属的照明光的输出时刻，进而确定该照明光的飞行时间，并根据照明光的飞行时间确定待测目标物的距离信息。

本实施例提供的激光雷达系统的技术方案，通过激光雷达照明装置输出符合预设照明光组合的近场照明光和远场照明光，通过接收装置接收近场照明光的反射光或远场照明光的反射光，通过控制器根据预设照明光组合和反射光的接收时刻确定待测目标物的距离信息，使激光雷达能够检测远场范围内的待测目标物的距离信息的同时，还能够实时获取近场范围内的待测目标物的距离信息，克服了现有技术的激光雷达系统必须通过几百瓦甚至上千瓦的大功率激光器才能实现所需范围内的照明，降低了激光器的成本、体积和功耗，可以满足消费级产品的需求。

实施例三

图7为本实施例三提供的激光雷达测距方法的流程图，该方法适用于在获取远场范围内待测目标物的距离信息的同时，能够实时获取近场范围内快速移动的待测目标物的距离信息的场景，该方法可以通过软件/硬件实现，并配置在激光雷达系统的控制器中。如图7所示，该激光雷达测距方法包括：

S101、通过近场控制脉冲控制激光雷达照明装置输出近场照明光，通过远场控制脉冲控制激光雷达照明装置输出远场照明光，且近场照明光和远场照明光符合预设照明光组合。

激光雷达照明装置包括近场照明机构和远场照明机构，控制器通过近场控制脉冲控制近场照明机构输出近场照明光，通过远场控制脉冲控制远场照明机构输出远场照明光，为了提高确定照明光飞行时间的准确率，不同的预设照明光组合具有不同的近场照明光和远场照明光的配合方式，以及飞行时间的计算方法。

S102、根据预设照明光组合和激光雷达接收装置获取的，近场照明光或远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息。

根据预设照明光组合确定照明光的飞行时间计算方法，然后根据反射光的接收时刻确定该反射光对应的照明光的输出时刻，进而可以确定该照明光的飞行时间，以及待测目标物的距离信息。

本实施例中的预设照明光组合及其对应的飞行时间确定方法包括但不限于以下方式：

1)、控制器产生扫描脉冲，并根据扫描脉冲，控制远场照明光以扫描脉冲的频率在设定空域上扫描，设定空域上的，近场照明光的输出时刻与前一帧远场照明光的输出时刻之差，大于远场照明光的最大飞行时间，远场照明光的输出时刻与前一帧近场照明光的输出时刻之差，大于近场照明光的最大飞行时间。

接收装置接收到的任一反射光均是距离该反射光接收时刻最近的一帧照明光，根据该最近的一帧照明光的输出时刻，可以确定该反射光所属的照明光的飞行时间。

2)、近场照明光和远场照明光具有相同的输出时刻。

由于近场照明光和远场照明光具有相同的输出时刻，因此，反射光的输出时刻为距离该反射光接收时刻最近的，近场照明光或远场照明光的输出时刻，通过该反射光的接收时刻和输出时刻可以得出该反射光所对应的照明光的飞行时间，进而根据飞行时间求取待测目标物的距离信息。

3)、近场照明光和远场照明光属于不同的波段。

通过反射光的波段区分该反射光是近场照明光的反射光，还是远场照明光的反射光，待确定后，可以根据确定后的照明光的输出时刻求取该照明光的飞行时间，进而根据飞行时间求取待测目标物的距离信息。

需要说明的是，本实施例中各个步骤的具体实现方式可参见前述实施例，在此不予赘述。

本实施例提供的激光雷达测距方法的技术方案，通过近场控制脉冲控制激光雷达照明装置输出近场照明光，通过远场控制脉冲控制激光雷达照明装置输出远场照明光，且近场照明光和远场照明光符合预设照明光组合，根据预设照明光组合确定飞行时间计算方法，根据激光雷达接收装置获取的，近场照明光或远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定该反射光所属的照明光的飞行时间，进而确定待测目标物的距离信息，克服了现有技术的激光雷达系统必须通过几百瓦甚至上千瓦的大功率激光器才能实现所需范围内的照明，降低了激光器的成本、体积和功耗，可以满足消费级产品的需求。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种激光雷达照明装置，其特征在于，包括近场照明机构、远场照明机构，以及用于产生近场控制脉冲和远场控制脉冲的控制器；

所述近场照明机构根据所述近场控制脉冲输出近场照明光，所述远场照明机构根据所述远场控制脉冲输出远场照明光，且所述近场照明光和所述远场照明光符合预设照明光组合，使控制器根据所述预设照明光组合和激光雷达的接收装置获取的，所述近场照明光或所述远场照明光遇到待测目标物后的反射光的接收时刻，确定待测目标物的距离信息；

所述远场照明机构的输出端与所述近场照明机构的输出端并排设置，且所述近场照明光与所述远场照明光的视角的中心轴之间的距离在预设距离范围内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器还产生扫描脉冲，并根据所述扫描脉冲，控制所述远场照明光以所述扫描脉冲的频率在设定空域上扫描，使设定空域上的，所述预设照明光组合包括：

所述近场照明光的输出时刻与前一帧所述远场照明光的输出时刻之差，大于所述远场照明光的最大飞行时间，所述远场照明光的输出时刻与前一帧所述近场照明光的输出时刻之差，大于所述近场照明光的最大飞行时间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设照明光组合包括：

所述控制器控制所述近场控制脉冲和所述远场控制脉冲，使所述近场光照明机构和所述远场照明机构同时分别输出所述近场照明光和所述远场照明光。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设照明光组合包括：

所述近场照明光和所述远场照明光属于不同的波段。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述近场照明机构包括近场光源和扩束镜；

所述控制器通过近场控制脉冲控制所述近场光源输出近场出射光，所述近场出射光经所述扩束镜形成近场照明光。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述远场照明机构包括远场光源、扫描镜和结构光棱镜模组；

所述控制器通过扫描脉冲控制所述扫描镜在预设角度范围内旋转；

所述扫描镜在旋转过程中将所述远场光源输出的远场出射光反射到所述结构光棱镜模组的不同位置，且位置轨迹位于同一直线上；

所述结构光棱镜模组将接收的所述远场出射光转换成远场照明光输出。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述远场照明机构还包括准直镜；

所述准直镜设于所述远场光源与所述扫描镜之间，用于准直所述远场光源输出的远场出射光。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述扫描脉冲的频率小于所述近场控制脉冲的频率，所述扫描脉冲的频率大于30帧每秒；

所述近场照明光与所述远场照明光的水平视角范围大于或等于45度，垂直视角范围大于或等于20度。

9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括接收装置以及如权利要求1-8任一所述的激光雷达照明装置；

所述激光雷达照明装置，用于输出符合预设照明光组合的近场照明光和远场照明光；

所述接收装置用于接收所述近场照明光的反射光或所述远场照明光的反射光；

所述控制器用于根据所述预设照明光组合和所述反射光的接收时刻确定待测目标物的距离信息。